电压型ICPT系统功率传输特性的分析与优化

针对感应耦合电能传输(ICPT)系统功率传输能力和效率优化问题,对电压型ICPT的功率传输特性进行了分析。通常认为提高系统的谐振频率能提高系统的功率传输能力,但通过本文的研究发现,对于采用SS拓扑的ICPT系统,谐振频率的选取存在一个优化的取值,而对于采用SP拓扑结构的ICPT系统,在一定的频率带上,谐振频率的增加对系统的传输特性基本没有影响。另外,对电压型ICPT系统副边线圈匝数进行了优化设计。最后,通过实验验证了理论分析的正确性。

变负载ICPT系统电能与信号反向同步传输方法

为满足感应耦合电能传输(inductively coupled power transfer,ICPT)系统在实现电能正向无线传输的同时,对副边电路状态信息的采集与反向传输,基于ICPT系统电能耦合传输通道,提出了一种在负载变化情况下,电能与信号反向同步传输ICPT系统,并对其控制方法进行了深入研究。该系统在副边增加信号调制电容,检测负载大小以确定具体的信号调制方案,通过切入与切出该调制电容以改变原边电流波形包络,进而将数字信号调制到系统中,这样原边在发射电能的同时接收来自副边的状态信息,最后通过设计信号解调机构,复原信号。首先介绍了ICPT系统电能与信号同步传输原理,在此基础上,提出电能与信号反向同步传输ICPT系统;然后,通过对该系统进行建模分析得到负载变化情况下不同的信号调制策略,并对系统变负载情况下系统特性进行了分析和研究;最后,针对理论分析进行了仿真与实验验证,实验实现了ICPT系统在电能正向传输情况下的信号的反向低误码率传输。该研究结果可以为ICPT系统电能与信号反向同步传输系统的设计与研究提供参考。

三线圈ICPT系统中继线圈的位置优化

三线圈感应耦合电能传输(ICPT)系统在给定工作频率下,中继线圈与原级线圈、负载线圈间的互感及负载大小是影响系统电能传输效率的主要因素。针对线圈间互感与线圈位置的相互约束关系,提出一种在任意给定原级线圈和负载线圈条件下的中继线圈位置优化模型。该模型以电能传输效率为优化目标,综合考虑三个线圈相互间的互感和负载等参数,通过计算机辅助设计,解决了寻找中继线圈最优位置的问题,理论和实验结果具有较好的一致性,且展示出中继线圈的最优位置与负载大小密切相关。

双LCL拓扑ICPT系统恒频恒流稳压特性研究

针对负载动态变化及切换易造成感应耦合电能传输(ICPT)系统频率失谐和负载输出电压变化的问题,基于双LCL拓扑电路,提出一种实现原边线圈中电流幅值恒定、负载端稳压输出并保证工作频率稳定性的设计方法。首先分析拾取侧LCL拓扑电路的恒压特性,结合ICPT系统拾取端反射阻抗呈阻容性且容性部分与负载变化无关这一特点,提出两种原边补偿电路设计思路,同时在此基础上分析了原边LCL拓扑实现原边线圈恒流工作的特性条件。然后给出了双LCL拓扑ICPT系统同时实现原边线圈电流恒定、负载端电压稳定、工作频率稳定的总体条件,并分析了主要参数对系统性能的影响。最后,通过仿真和实验结果证明了理论分析方法的正确性。

ICPT系统原边恒压控制及参数遗传优化

针对感应电能传输系统原边串联–副边并联的拓扑结构,发现利用传统原边电流恒定的控制方式在负载变化时不易实现输出稳压,因此提出一种简单的基于原边电压恒定来实现输出稳压的方法,研究了其适用的约束条件。针对ICPT系统多参数多约束的特点,引入遗传算法对系统的参数进行优化设计,利用动态函数改进适应度函数定标及变异算子提高算法性能。仿真和实验结果表明:输出电压在大范围负载切换中具有良好的稳定性,原边电流能够根据负载需求自适应变化;系统实现了低成本、低开关损耗设计,且参数均达到设计要求。证明了原边恒压控制及参数遗传优化的有效性。

高能效导轨式ICPT系统分布式磁路机构研究

针对传统导轨式感应耦合电能传输(ICPT)系统主要通过提高输入电压,增大磁芯容量来提高系统的传输功率和效率存在的弊端,提出了一种新型导轨式ICPT系统分布式磁路机构:通过采用原边磁能发射机构分布式并联、副边磁能拾取机构分布式串联模式,实现了系统能效特性的总体提升。建立新型拓扑结构等效电路模型,给出了系统能效特性计算方法,并分析了最大功率传输条件。理论分析结果表明,在新型磁路结构下,系统最大功率传输能力为传统磁路机构的3倍,总体效率也得到了很大提升。最后,通过实验验证了新型磁路结构的有效性以及理论分析方法的正确性。

采用CCL/LCC复合谐振网络的电流型ICPT系统

为实现感应耦合电能传输(ICPT)系统在负载及气隙变化时的输出电压和工作频率恒定,提出了一种采用CCL/LCC复合谐振网络的电流型ICPT系统。首先,在基波条件下,依据变压器漏感模型建立系统等效电路,得到了输出电压增益与输入阻抗的表达式;然后,通过系统参数优化设计,推导出了动态负载下系统恒压供电和谐振工作频率稳定的条件。另外,当气隙变化时,利用动态调谐技术重新补偿耦合电感,可使得输出电压和工作频率在气隙变化前后保持不变。系统特性分析表明,所提出的CCL/LCC复合谐振网络电流型ICPT系统,在负载和气隙变化时可以保证输出电压和工作频率稳定。最后,实验验证了理论分析的正确性和有效性。

基于ICPT技术电动汽车无线充电系统的互感分析

为了满足基于磁感应耦合电能传输(ICPT)技术的电动汽车无线充电系统高效率、低损耗的设计要求,仿真分析了松耦合变压器中磁芯属性、磁芯厚度、线圈匝数、线圈外径与互感的关系。在不降低系统互感的前提下,提出了节省磁芯体积、减少线圈损耗的方法。此外,为了得到更适用于电动汽车无线充电的松耦合变压器模型,利用ANSYS、MATLAB进行了仿真,得出了传输效率高、磁屏蔽效果好、轴偏离对互感影响小的结构模型。

软开关技术对双边LCCL谐振结构的ICPT系统的影响

为研究软开关技术的应用对双边LCCL谐振结构的ICPT系统特性的影响,首先分析了双边LCCL谐振结构的工作原理,推导出了该结构下逆变器开关管关断电流的完整数学模型;然后,基于该模型设计了一种基于双边LCCL谐振结构的软开关实现方法,该方法通过对初级侧补偿电容的取值进行优化,可分别实现零电流关断(ZCS)或零电压开通(ZVS)两种类型的软开关;最后,仿真和实验验证了所提方法的正确性和可行性,并从功率因数、开关管通态损耗、元件应力和输出电流稳定性的角度对比了两种软开关参数下系统的特性。

推挽式ICPT系统功率因数的特性研究及改善方法

针对传统感应耦合电能传输(ICPT)系统功率因数低下问题,以推挽式ICPT系统为研究对象,结合有源功率因数校正(PFC)技术,对系统功率因数进行研究。本文中有源功率因数校正电路采用基于平均电流模式的Boost电路,并且对推挽式ICPT系统进行等效阻抗分析。在此基础上,针对系统中Boost电路中电感电流过零点存在畸变现象,研究电流环的重复控制策略。最后,利用Matlab软件搭建了仿真平台,对系统进行仿真,验证了理论分析的正确性。

基于双边LCCL结构的ICPT系统水下适应性研究

为了研究海水环境对双边LCCL结构的感应式无线供电(ICPT)系统传输性能的影响,分析了双边LCCL谐振结构的工作原理及输出特性。从海水压力、线圈位置变化以及涡流损耗三个方面研究了海洋环境对系统传输性能的影响,给出了在线圈错位状态下线圈互感的计算方法,并引入修正系数对现有涡流损耗计算模型进行修正,使之更符合介质中实际的磁场分布。仿真和实验验证了该方法的正确性和可行性。

LCL-S型ICPT系统能量与信号同步传输技术研究

为解决目前感应耦合电能传输(ICPT)系统中能量与信号同步传输技术存在的多线圈结构复杂、传输信噪比低、线圈解耦困难和电路复杂等问题,提出一种基于LCL无功补偿网络的能量与信号同步传输方法。根据LCL-S型ICPT系统在品质因数较大时系统电压增益将存在2个极值点的特性提出一种采用调频调制方式实现能量与信号同步传输的方法,最后通过实验验证了理论研究的正确性与可实现性。

基于ICPT的非接触式牵引供电系统研究综述

基于感应耦合电能传输(inductively coupled power transfer,ICPT)的非接触式牵引供电系统可以非接触供电方式为列车提供实时牵引电能,是轨道交通领域未来新型牵引供电技术的重要发展方向。首先,阐述了轨道交通实时受流非接触式牵引供电系统的结构和特点,回顾了ICPT技术和轨道交通非接触式牵引供电系统的国内外研究现状。然后,详细分析了基于ICPT的非接触式牵引供电主要关键技术研究成果和存在的问题。最后,结合研究现状对轨道交通非接触式牵引供电系统研究进行了展望。

基于LCL-S型ICPT系统的恒流输出分析与控制

针对电动汽车无线充电的需求,提出了一种兼顾调控效果与传输效率的恒流控制方法。针对LCL-S型的磁耦合谐振无线电能传输系统建立模型,对其进行工作特性分析,进而根据副边电流输出特性及传输效率特性曲线确定了系统高效运行的频率区间,将此区间作为系统恒流工作的调频区。并对比各种功率控制方式的优缺点,进而提出了变频控制与移相调压相结合的恒流控制策略。实验设计了PI闭环控制程序,验证了负载变化时的恒流控制效果。实验表明该控制策略基本实现了无静差、无超调的快速响应控制。

基于导抗变换器的ICPT恒流源补偿网络设计

针对感应耦合电能传输系统负载切换时输出电流不稳定问题,提出一种用于恒压输入、恒流输出的二次侧补偿网络。该补偿网络将松耦合变压器及补偿元件等效为导抗变换器,不仅可以实现输出电流与负载无关,而且可以保证系统处于完全谐振状态。依据互感模型,利用二端口理论建立了系统的阻抗模型,推导了输出电流与输入电压关系,给出了整个系统实现输出恒流以及单位功率因数输入的参数配置方法,并分析了主要参数对系统性能的影响。另外,对系统参数进行了优化设计,以便减小装置体积,降低成本。仿真与实验结果证明了理论分析的正确性。

单管逆变ICPT系统两种补偿网络的对比研究

针对无尾果蔬机在使用过程中电机负载不断剧烈变化容易造成单管感应耦合电能传输ICPT(inductively coupled power transfer)系统中开关管和副边整流管损坏等问题,系统研究了单管逆变ICPT系统拓扑及其并联-并联PP(parallel-parallel)和并联-串联PS(parallel-series)补偿网络电路特性。通过建立数学模型,分别分析了PP和PS补偿网络各个参数间的关系,给出了其对应的电压增益和输出电压特性曲线;并用电路仿真软件分别对PP、PS系统在负载动态切换时的开关管耐压与输出电压波形进行了仿真。分别搭建了PP和PS补偿下额定输出功率为1 kW的单管逆变ICPT系统样机,对理论分析和仿真结果进行了实验验证。

基于双边动态电容补偿的ICPT拓扑及控制研究

针对传统固定补偿容量的感应耦合电能传输(ICPT)系统中,输出电压会随负载变化而波动,提出了一种基于磁能再生开关(MERS)双边动态电容补偿的ICPT拓扑,使系统的补偿环节具有可控性。采用电路互感理论和松耦合变压器漏感模型对拓扑建模分析,建立了磁能再生开关与输出电压、逆变器功率因数间的数学关系;通过发射端动态补偿抵消系统输入阻抗的电抗分量,提高功率因数;接收端动态补偿削弱负载变化的影响,稳定输出电压。最后搭建了一台5 V电压输出的试验样机,在负载变化范围内,逆变器功率因数稳定在约0.9,验明了所提拓扑在负载变化时的稳压和功率因数调节作用。

Design and analysis of an underwater inductive coupling power transfer system for autonomous underwater vehicle docking applications

We develop a new kind of underwater inductive coupling power transfer(ICPT)system to evaluate wireless power transfer in autonomous underwater vehicle(AUV)docking applications.Parameters that determine the performance of the system are systematically analyzed through mathematical methods.A circuit simulation model and a finite element analysis(FEA)simulation model are developed to study the power losses of the system,including copper loss in coils,semiconductor loss in circuits,and eddy current loss in transmission media.The characteristics of the power losses can provide guidelines to improve the efficiency of ICPT systems.Calculation results and simulation results are validated by relevant experiments of the prototype system.The output power of the prototype system is up to 45 W and the efficiency is up to 0.84.The preliminary results indicate that the efficiency will increase as the transmission power is raised by increasing the input voltage.When the output power reaches 500 W,the efficiency is expected to exceed 0.94.The efficiency can be further improved by choosing proper semiconductors and coils.The analysis methods prove effective in predicting the performance of similar ICPT systems and should be useful in designing new systems.

感应耦合电能传输系统互感耦合参数的分析与优化

针对感应耦合电能传输(inductively coupled power transfer,ICPT)系统能效(传输功率和效率)优化问题,分析了互感耦合参数对4种典型拓扑结构ICPT系统能效的影响,并优化互感以提高系统的功率传输能力,同时,对优化得到的互感耦合参数的适用条件给出了限制;此外,针对原边采用串联补偿拓扑结构的ICPT系统在最大功率传输条件下,系统效率偏低的现象,提出一种新的系统综合评价指标。在满足系统输出功率的基础上,该指标综合考虑了系统效率、成本和可靠性等其他因素。通过在该指标下对系统的互感耦合参数进行优化,在满足功率传输的基础上,实现了ICPT系统的全局最优设计。最后,通过仿真和实验研究,证明了理论分析的正确性。

无接触电能传输技术的研究进展

无接触电能传输技术具有广泛的应用前景。目前主要的无接触电能传输方式有远场辐射、电磁共振和电磁感应直接耦合三种。远场辐射采取微波或激光来传递能量,频率最高,传输距离最远,效率也较低。电磁共振采用频率为MHz范围的谐振频率实现电能在波长范围内的中等距离高效率传输。基于电磁感应原理的电能传输技术相对比较成熟,频率较低,传输距离相对很小,传输效率较高。本文主要分析了这三种电能传输方式的特点及国内外研究现状,给出了该技术的应用前景及存在问题,也展示了一些研究结果。